JP3898156B2 - 半導体パワーモジュール - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体パワーモジュールに関し、特に、高い放熱特性と製造コストの簡素化および低廉化とを両立的に実現するための改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体パワーモジュールは、負荷への電力の供給を担う主電流(負荷電流)を断続するなど主電流の流れを変調制御する電力用半導体素子を備える主回路と、この電力用半導体素子の動作を制御する制御回路とが、1個の装置に組み込まれた半導体装置である。この半導体パワーモジュールは、例えば、モータ等の動作を制御するインバータ、あるいは無停電電源などに利用が拡大しつつある。
【0003】
主回路は電力回路であり、主電流が流れる電力用半導体素子からの発熱が大きいために、放熱構造が採用される。一方の制御回路は弱電回路であって、その回路素子には微弱な電流しか流れないために、制御回路それ自体には放熱構造は必要とされない。このように、半導体パワーモジュールでは、熱的特性上要求される構造が相異なる2つの回路が一つの装置の中に同居しており、しかも、装置のサイズはできるだけ小さいことが求められている。
【0004】
図28は、特開平5-129515号公報に開示される従来の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図28において、1はアルミベース板、2はアルミベース板1の上に形成されたエポキシ系の耐熱性の絶縁層、そして、3は絶縁層2の上に所定のパターンに形成された銅箔層を代表例とする金属箔である。これらの部材1〜3は、絶縁配線基板100を構成している。
【0005】
さらに、5は金属箔3の上の所定の部位に固定された電力用半導体素子、4は電力用半導体素子5を金属箔3へ固着するハンダ、6は電力用半導体素子5と金属箔3との間などを電気的に接続するアルミニウム製のボンディングワイヤ、そして、101は絶縁配線基板100の上の所定の領域を占めるように金属箔3の上に固定された制御回路基板である。
【0006】
制御回路基板101は、ガラスエポキシ(ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂)で構成される電気絶縁性の制御回路基板本体9を有している。そして、制御回路基板本体9の下面すなわち絶縁配線基板100に対向する面には、厚さ100μm程度の銅箔などの導電体から成るシールド層8が形成されており、他方の面すなわち上面には、パターニングされた銅箔などの導電体から成る配線10が形成されている。また、制御回路基板本体9にはシールド層8と配線10とを電気的に接続するスルーホール11が形成されている。
【0007】
制御回路基板101のシールド層8と絶縁配線基板100の金属箔3との間には、エポキシ系の接着剤7が塗布されている。この接着剤7によって制御回路基板101が絶縁配線基板100の上に固定されている。配線10の上には、ハンダ12によって集積回路などの電子部品13(図28には代表例として集積回路が描かれている)が固着されている。
【0008】
また、絶縁配線基板100の金属箔3には、主電流を入力または出力するための銅製の複数の端子14a(図28には代表として1本が描かれている)が、ハンダ15aによって固着されている。さらに、制御回路基板101の配線10の上には、信号を入力または出力するための銅製の複数の端子14b(図28には代表として1本が描かれている)が、ハンダ15bによって固着されている。すなわち、制御回路基板101は電子部品13などとともに制御回路を構成しており、絶縁配線基板100は電力用半導体素子5、ボンディングワイヤ6などとともに主回路を構成している。
【0009】
絶縁配線基板100にはその周囲を囲むように樹脂などの絶縁体で構成される枠状のケース16が取り付けられている。絶縁配線基板100はケース16の底部に係合しており、しかも、接着剤17で互いに接合されている。すなわち、ケース16と絶縁配線基板100とは、あたかも上端が開口した箱の側面と底面とを構成している。この箱の内部、すなわち、絶縁配線基板100とケース16とで囲まれる内部には、電力用半導体素子5などの保護を目的として封止樹脂18が充填されている。
【0010】
この装置は、つぎの手順で組み立てられる。まず、アルミベース板1の上に絶縁層2を形成し、さらにその上に金属箔3を形成する。その後、金属箔3を選択的にエッチングすることによって、パターニングする。その結果、絶縁配線基板100が形成される。また、それと前後して、あらかじめ入手した市販の基板の一方主面の金属箔を配線10の形状にパターニングすることによって、制御回路基板101を形成する。
【0011】
つぎに、シールド層8と金属箔3とを接着剤7で接着することによって、制御回路基板101を絶縁配線基板100の上に固定する。つぎに、電力用半導体素子5をハンダ4で金属箔3の上の所定の部位にハンダ付けする。その後、電子部品13等をハンダ12で配線10の上の所定の部位にハンダ付けすることによって制御回路を形成する。つぎにアルミワイヤ6で電力用半導体素子5と金属箔3の間等をワイヤボンディングすることによって、主回路を形成する。
【0012】
その後、端子14a,14bを配線10および金属箔3の所定の部位にそれぞれハンダ5a,5bを用いてハンダ付けする。なお、ハンダ4、12、15a、15bとして、それぞれ融点の異なるハンダを準備し、前の工程でハンダ付けに供されたハンダを溶融しないようにする。その後、ケース16を絶縁配線基板100に接着剤17で固着し、最後にケース16と絶縁配線基板100とで囲まれた内部を封止樹脂18で封止することによって装置が完成する。
【0013】
図29は、特開平7-22576号公報に開示されるもう一つの従来の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図29において、符号が付された各部材は、形状の差異を除いて、同一符号が付された図28の装置の各部材と同一の材料で構成されるとともに同様の機能を果たす部材であるので、その詳細な説明を略する。すなわち、この従来装置では、ケース16が、底面部を有するとともにその底面部に開口部が設けられている。そうして、底面部の上に接着剤7を用いて制御回路基板101が固着されており、開口部には絶縁配線基板100がはめ込まれている。絶縁配線基板100とケース16の間は、接着剤17で接着されている。
【0014】
この従来装置はつぎの手順で組み立てられる。まず、アルミベース板1の上に絶縁層2を形成する。さらに、絶縁層2の上に銅箔層3を形成し、その後、銅箔層3を選択的にエッチングすることによってパターニングする。その結果、絶縁配線基板100が形成される。また、それと前後して、あらかじめ入手した市販の基板の一方主面の金属箔を配線10の形状にパターニングすることによって、制御回路基板101を形成する。
【0015】
つぎに、電力用半導体素子5をハンダ4で金属箔3の上の所定の部位にハンダ付けする。それと同時ないし前後して、電子部品13等をハンダ12で配線10の上の所定の部位にハンダ付けすることによって、制御回路を形成する。つぎに、絶縁配線基板100と制御回路基板101とをケース16に、それぞれ接着剤17と接着剤7とで接着する。その後、アルミワイヤ6で電力用半導体素子5と金属箔3の間等をワイヤボンディングすることによって、主回路を形成する。
【0016】
その後、端子14a,14bを配線10および金属箔3の所定の部位にそれぞれハンダ5a,5bを用いてハンダ付けする。なお、ハンダ4、12、15a、15bとして、それぞれ融点の異なるハンダを準備し、前の工程でハンダ付けに供されたハンダを溶融しないようにする点は、図28の装置と同様である。最後にケース16と絶縁配線基板100とで囲まれる内部を封止樹脂18で封止することによって装置が完成する。
【0017】
【特許文献1】
特開5―129515号公報
【特許文献2】
特開7―22576号公報
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
従来装置は、以上のように構成されていたので、つぎのような問題点を有していた。まず、図28の従来装置では、高価な絶縁配線基板100の上に制御回路基板101が接着されているため、絶縁配線基板100の上に、主回路の部品を搭載できない領域が発生することが避けらない。このため、この部分で高価な絶縁配線基板100が無駄となるという問題点があった。
【0019】
また、端子14a、14bが、独立した部品として準備され、それらがハンダ付けによって基板100、101に取り付けられるので、ハンダ付けを実行する際にはそれらの端子14a、14bを支持する治具を必要とするという問題点があった。このことは、製造工程を複雑かつ困難にするとともに、特に製造工程の自動化を阻害する要因となっていた。
【0020】
他方、図29の従来装置では、絶縁配線基板100と制御回路基板101とを横に並べて配置しているため、絶縁配線基板100のサイズが小さく抑えられるという利点がある。しかしながら、基板を横に並べたため、それらの基板を固定するためにケース16が底面部にも必要となった。すなわち、ケース16の構造が複雑となるという別の問題が発生した。また、端子14a、14bの構造が図28の従来装置と同様であるために、製造工程を自動化することが困難であった。
【0021】
この発明は、従来の装置における上記した問題点を解消するためになされたもので、主回路の放熱効率を劣化させることなく、製造が容易で製造コストが節減される半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、外部の負荷への電力の供給を担う主電流の流れを制御する電力用半導体素子と当該電力用半導体素子の動作を制御する制御回路素子とを備える半導体パワーモジュールにおいて、熱良導性の平板状の金属基材の一方主面に、電気絶縁性でしかも熱良導性の接着剤によって、第1及び第2リードフレームが固着されており、前記第1リードフレームの上の所定部位に前記電力用半導体素子が固着されており、前記第2リードフレームの上の所定部位に、制御回路基板が固定されており、当該制御回路基板は、前記電力用半導体素子よりも厚みが厚い電気絶縁性の板状の制御回路基板本体と、当該制御回路基板本体の少なくとも一方主面上に配設された制御回路配線パターンとを備え、前記制御回路基板本体の他方主面が前記第2リードフレームに固着されることによって、前記制御回路基板が前記第2リードフレームの所定部位に固定されており、前記制御回路素子は、前記一方主面上において前記制御回路配線パターンの所定部位に接続されており、前記第1及び第2リードフレームは、それぞれ、外部との間で主電流および電気信号の入出力を行うための複数の端子を含んでいることを特徴とする。
【0023】
第2の発明は、第1の発明の半導体パワーモジュールにおいて、前記接着剤が電気絶縁体の微粒子が混入された接着剤であることを特徴とする。
【0024】
第3の発明は、第1の発明の半導体パワーモジュールにおいて、前記複数の端子の外方先端部、および前記金属基材の他方主面が露出するように、少なくとも、前記金属基材および前記リードフレームの露出面、前記制御回路基板本体の前記一方主面、前記電力用半導体素子、ならびに、前記制御回路素子が、樹脂で封止されていることを特徴とする。
【0025】
【作用】
第1の発明の半導体パワーモジュールでは、金属基材の上にリードフレームが接着され、このリードフレームが、電力用半導体素子が固着される配線パターンとともに複数の端子をも兼ねている。このため、装置を製造する際に、端子を制御回路配線パターン等へハンダ付けによって固定する工程を必要としない。また、金属基材の上にリードフレームを接着されるために、主回路基板が必要とされない。
【0026】
第2の発明の半導体パワーモジュールでは、接着剤に電気絶縁体の微粒子が混入されているので、リードフレームと金属基材との間の電気絶縁が接着剤によって確実に保証される。
【0027】
第3の発明の半導体パワーモジュールでは、電力用半導体素子等が樹脂によって封止されているので、電力用半導体素子等の回路部品が外部から侵入する水分等から保護される。また、金属基材の他方主面が封止樹脂から露出しているので、金属基材を通じての放熱が封止樹脂によって妨げられない。
【0028】
【実施例】
<第1参考例>
図1は、第1参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。なお、以下の図において、図28に示した従来装置と同一部材あるいは同一の材料で構成され同様の機能を果たす部材については、同一符号を付してその詳細な説明を略する。図1において、102は電気絶縁性の樹脂で構成され、端子14a、14bを一体的に組み込むように成型された枠体である。枠体102は、側壁部とともに底面部を有し、上端が開放された箱状をなしている。
【0029】
図2は、枠体102と絶縁配線基板100の輪郭形状を示す概略平面図である。上述した図1は、図2におけるA−A切断線に沿った断面図である。図2に示すように、枠体102の底面部の中央部には矩形の開口部30が形成されており、この開口部30を埋めるように矩形の絶縁配線基板100が枠体102に固定されている。
【0030】
図1に戻って、枠体102の開口部30には絶縁配線基板100が挿入されている。開口部30の側壁(内周端面)の上端部には、内側に突出する突出部30aが設けられており、絶縁配線基板100の上面端縁部がこの突出部30aに当接することによって、絶縁配線基板100の上下方向の位置が容易に定められる。絶縁配線基板100は、装置の搬送時等において開口部30から下方に脱落しないように、接着剤17によって開口部30の側壁に固着されている。接着剤17は、開口部30の側壁と配線10の外周端面とを互いに接着している。
【0031】
このとき、絶縁配線基板100の底面(言い替えるとアルミベース板1の底面)が、枠体102の底面よりも幾分下方に突出するように、絶縁配線基板100の厚さと枠体102の底面部における突出部30aより下方の厚さとが調整されている。このため、この装置を例えば表面が平坦な通常の放熱板へ取り付けたときに、枠体102をネジ等で放熱板へ固定することによって、絶縁配線基板100の底面を放熱板へ密着させることが可能である。すなわち、装置の放熱効率を高めることができる。このとき、突出部30aは接着剤17とともに、絶縁配線基板100が開口部30を貫通して上方へ不必要に浮き上がることを防止する働きをもなす。
【0032】
図3は、制御回路基板101とその周辺部を拡大して示す斜視断面図である。図3における断面は、図2におけるA−A切断線に沿っている。図3に示すように、端子14a、14bはともに枠体102に埋め込まれている。すなわち、端子14a、14bは「L字」型に折曲げられた平板状であり、その直立部は頭部を残して枠体102の側壁部に埋め込まれており、頭部が枠体102の側壁部の上端面から上方へ突出している。他方の水平部はその上面が露出するとともに枠体102の底面部の上面と同一平面となるように、底面部に埋設されている。
【0033】
制御回路基板101は、接着剤7によって枠体102の底面部の上面に固着されている。そうして、端子14bと制御回路基板101の上面に形成された配線10(図3では図示を略している)の所定の部位とが、ボンディングワイヤ6によって電気的に接続されている。図1に示したように、この装置の例では、複数個の制御回路基板101が同要領で取り付けられている。端子14aと絶縁配線基板100の金属箔3の所定の部位との間も、同じくボンディングワイヤ6で電気的に接続されている(図1)。
【0034】
このように、この参考例の装置では、端子14a、14bが枠体102と一体的に成型されているために、装置を製造する際に、従来装置で必要とされた端子14a、14bをハンダ付けによって固定する工程が必要でなくなる。また、ワイヤボンディング等の量産性に優れた方法によって制御回路基板101と端子14bおよび、絶縁配線基板100と端子14aの電気的接続を行うことが可能となる。したがって、製造工程が容易化されるとともに製造コストが節減される。
【0035】
また、この参考例の装置では、絶縁配線基板100の上に、主回路の部品を搭載できない領域が発生することはない。すなわち、高価な絶縁配線基板100が、主回路が占める領域を超えて、不必要に大きなサイズで用いられることがない。このことも、製造コストの節減に寄与する。
【0036】
<第2参考例>
図4は第2参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この装置は、第1参考例の装置とは、端子14aの水平部の先端部が開口部30の端縁から内側に突出しており、代わりに突出部30aは設けられない点が特徴的に異なっている。すなわち、端子14aの先端部が、突出部30aに替わる機能、すなわち、絶縁配線基板100の上下方向の位置決め機能を果たしている。しかも、この先端部の底面が、絶縁配線基板100の上面に形成された金属箔3の所定部位に直接にハンダ付けあるいは溶接される。その結果、ボンディングワイヤ6を用いて接続する方法に比べて、はるかに容易かつ短時間で金属箔3が端子14aに電気的に接続される。
【0037】
また、端子14aの先端部と金属箔3とのハンダ付け等を行うことで、電気的接続が実現すると同時に、絶縁配線基板100が端子14aを介して枠体102に固定的に支持される。このため、絶縁配線基板100と枠体102との間に接着剤17を用いる必要がなくなる。すなわち、二重の意味で、製造工程の省力化および省時間化が得られる。
【0038】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。まず、端子14a、14bが一体的に成型された枠体102、金属箔3がパターニングされた絶縁配線基板100、および配線10がパターニングされた制御回路基板101を準備する。その後、電力用半導体素子5および電子部品13を、絶縁配線基板100上の金属箔3の所定部位および制御回路基板101上の配線10の所定部位に、それぞれハンダ付けする。つぎに制御回路基板101を枠体102の底面部の上面に接着剤7を用いて固着する。
【0039】
つぎに、絶縁配線基板100を枠体102の開口部30の中へ底面側から挿入する。開口部30の内側へと突出する端子14aの先端部の底面と絶縁配線基板100の上の銅箔層3の所定部位とが当接した状態で、それらの当接する部材の間を例えば局部ハンダ付け装置を用いることによって接合する。互いに接合される先端部と金属箔3との位置関係は、絶縁配線基板100を開口部30へ挿入することで必然的に定まるので、それらの位置合わせを特別に行う必要がない。
【0040】
さらに、電力用半導体素子5と絶縁配線基板100の上に形成された銅箔層3との間、端子14bと制御回路基板101の上に形成された配線10の所定部位との間等を、アルミワイヤ6でワイヤボンディングする。最後に、枠体102と絶縁配線基板100とで囲まれる内部を封止樹脂18で封止することによって装置が完成する。封止樹脂18には、好ましくはエポキシ樹脂が用いられる。
【0041】
このとき、絶縁配線基板100と枠体102との間に間隙を設けることが好ましい。こうすることによって、封止樹脂18が絶縁配線基板100と枠体102の間の間隙にまで容易に浸潤し、この間隙が封止樹脂18によって確実に充填されるので、装置の外部から内部への水分等の進入を防止することができる。また同時に、枠体102と電力用半導体素子5などの発熱によって温度が上昇する絶縁配線基板100との間に熱応力が発生することが防止されるので、熱応力に起因するそれらの接続部の破損事故が防止されるという利点も得られる。すなわち、二重の意味で装置の信頼性が向上する。
【0042】
なお、間隙の大きさは、封止樹脂18が確実に充填されるとともに、熱応力の発生を抑える効果を得る上で、200μm程度以上とすることが望ましい。
【0043】
<第3参考例>
第1参考例および第2参考例では、絶縁配線基板100と制御回路基板101とが、横に並列に配置されたが、それらを互いにある角度をもって配置することによって、装置の高密度化を図ることが可能となる。ここでは、その一例について説明する。
【0044】
図5はこの参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この装置では、制御回路基板101が枠体102の側壁部の内側表面に取り付けられている点が、第1参考例の装置とは特徴的に異なっている。制御回路基板101は、接着剤7で側壁部の内側に固着されている。すなわち、絶縁配線基板100と制御回路基板101は、直角の角度をもって互いに配置されている。
【0045】
このように、枠体102の側壁が有効利用されるので、枠体102の底面部が縮小される。すなわち、装置の寸法上最も重要な装置の底面部の寸法が縮小され、その結果、取扱いの容易な小型の装置が実現する。
【0046】
図6は、制御回路基板101とその周辺部を拡大して示す斜視断面図である。図6に示すように、端子14bの水平部の先端部14cは直立するように折曲げられている。そうして、制御回路基板101は、この直立する先端部14cと枠体102の側壁との間に挟み込まれるように取り付けられている。しかも、制御回路基板101が備える配線10の所定の部位と先端部14cとが当接するように、制御回路基板101の位置決めがなされている。
【0047】
配線10の所定の部位と先端部14cとは、ハンダ付けによって確実に電気的に接続されている。このハンダ付けを行うには、制御回路基板101が固定される前に、配線10の所定の部位と先端部14cとに、それぞれ予備ハンダを塗布しておくとよい。そうすることによって、容易かつ確実にハンダ付けが行われる。このように、制御回路基板101が直立しているためにボンディングワイヤ6の使用が容易でない配線10と端子14bとの間の電気的接続が、ハンダ付けによって、直接に容易に行われる。
【0048】
この参考例では、制御回路基板101が直立する例を示したが、側壁部の内側表面が斜め上方を向くように底面部に対して傾斜した枠体102を用い、制御回路基板101を側壁部の内側表面に固着することによって、制御回路基板101を絶縁配線基板100に対して斜めに傾斜するように配置してもよい。この場合にも、傾斜の度合いに応じて、装置の底面部の寸法が縮小される。
【0049】
<第4参考例>
つぎに、絶縁配線基板100と制御回路基板101とが互いにある角度をもって配置された半導体パワーモジュールのもう一つの例について説明する。図7は、この装置例における制御回路基板とその周辺部分を拡大して示す斜視断面図である。また、図8は、図7におけるB−B切断線に沿った断面図である。この装置では、制御回路基板101として、いわゆるフレキシブル基板34が用いられている。
【0050】
フレキシブル基板34は、代表的には0.1mm程度の厚さのポリイミドなどの機械的強度の高い樹脂で構成される基板本体32の片面ないし両面に、代表的には0.05mm程度の厚さの導電性の金属箔33を付着させた構造の基板である。金属箔33が基板本体32の内部の層にも形成された、多層基板の形態を有するものも周知である。金属箔33は、通常の回路基板と同様に、目的に応じてパターニングした上で使用に供される。フレキシブル基板34は、その厚さが小さいために、柔軟に折曲げて使用可能である点、すなわち可とう性を有する点が最も重要な特徴となっている。
【0051】
図7および図8に示すように、制御回路基板101としてのフレキシブル基板34の主要部が、枠体102の内側の側壁に沿って接着剤7で貼着されている。さらに、フレキシブル基板34の下端部は、枠体102の底面部の上面に沿うように折曲げられている。そして、この下端部の貼着面に形成される金属箔33の所定の部位と端子14bとが互いに重なっており、それらの間がハンダ付けによって電気的に接続されている。
【0052】
以上のように、この参考例の装置では、制御回路基板101として可とう性を有するフレキシブル基板34が用いられるために、端子14bの水平部の先端部を折曲げることなく、枠体102の側壁に沿って固定された制御回路基板101と端子14bとの電気的接続が容易に行われる。
【0053】
<第5参考例>
図9は、絶縁配線基板100と制御回路基板101とが互いにある角度をもって配置された半導体パワーモジュールのさらに別の例を示す正面断面図である。この装置においても、第4参考例の装置と同様に、制御回路基板101としてフレキシブル基板34が用いられている。この装置では、フレキシブル基板34は、枠体102の側壁に貼着された部分からさらに上方に長く延びており、しかもこの延長部は絶縁配線基板100の上方を覆うように水平方向に折曲げられている。
【0054】
そして、制御回路を構成する電子部品13は、この水平方向に延びた延長部に取り付けられている。すなわち、電子部品13が絶縁配線基板100の上方に立体的に配置されている。このため、枠体102の側壁の高さを低くすることによって、装置のさらなる小型化が可能となる。
【0055】
<第6参考例>
図10は第6参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図10に示すように、この装置では、枠体102が設けられず、制御回路基板101に設けられた開口部40の側壁に、絶縁配線基板100の外周端面が直接に接合されている。
【0056】
図11は、制御回路基板101と絶縁配線基板100の輪郭形状を示す概略平面図である。図10は、図11におけるC−C切断線に沿った断面図である。図11に示すように、制御回路基板101の中央部には矩形の開口部40が形成されており、この開口部40に矩形の絶縁配線基板100が嵌め込まれている。
【0057】
図10に戻って、開口部40に嵌合する絶縁配線基板100の上面(電力用半導体素子5が取り付けられる主面)と制御回路基板101の上面(電子部品13が取り付けられる主面)とは、略同一平面となるように、双方の基板の上下方向の相対位置が定められている。このため、双方の基板の上のハンダ4、12、15a、15bを、一括的に印刷することが可能となる。すなわち、製造工程において、双方の基板をあたかも平坦な一つの基板であるかのように取り扱うことができる。その結果、製造プロセスが簡素化されるという利点が得られる。
【0058】
絶縁配線基板100の厚さは、制御回路基板101よりも大きく設定されている。このため、絶縁配線基板100の底面(言い替えるとアルミベース板1の底面)は、制御回路基板101の底面よりも下方に突出する。その結果、制御回路基板101の底面における開口部40の周辺部と絶縁配線基板100の外周端面との間に角(かど)部が形成される。この角部に接着剤17を供給することによって、絶縁配線基板100と制御回路基板101とが強固に固着されている。すなわち、双方の基板が互いに直接に固定されている。このため、この装置では、枠体102等のケースが不要である。
【0059】
制御回路基板101の上面の外周部には複数の端子14a、14bが配設されている。端子14a、14bは、制御回路基板101の上面に形成されている配線10の所定の部位に、ハンダ15a、15bによってそれぞれハンダ付けされている。なお、図10には、これらの中の端子14b、ハンダ15bのみが、代表として描かれている。
【0060】
端子14a、14bの外側先端部と絶縁配線基板100の底面部分とのみを残して、他のすべての部材は封止樹脂18によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。封止樹脂18は、制御回路基板101の底面および接着剤17をも覆うように設けられる。絶縁配線基板100は、その底面が封止樹脂18の底面よりもさらに下方へ突出するように、その厚さが十分な大きさに設定されている。このため、この装置を例えば表面が平坦な通常の放熱板へ取り付けたときに、絶縁配線基板100の底面を放熱板へ密着させることが可能である。
【0061】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。まず、制御回路基板101と絶縁配線基板100を準備する。そうして、絶縁配線基板100を制御回路基板101の開口部40に嵌挿し、双方の上面を略同一平面に揃えた状態で接着剤7を用いて双方の基板を接着する。
【0062】
つぎに、ハンダ4、12、15a、15bを、それぞれ所定の部位に一括的に印刷する。その後、電力用半導体素子5、電子部品13、および端子14a、14bを、ハンダが印刷によって塗布された所定の部位に載置する。そうして、昇温と後続する冷却とを行うことによって、電力用半導体素子5、電子部品13、および端子14a、14bを、ハンダ4、12、15a、15bによって所定の部位に固着する。
【0063】
つぎに、電力用半導体素子5と金属箔3との間、金属箔3と配線10との間等を、アルミワイヤ6でワイヤボンディングする。最後に、封止樹脂18で装置の内部を封止することによって装置が完成する。この装置においても、封止樹脂18には、電気絶縁性に加えて耐熱性、機械的強度、封止の容易さ等に優れるエポキシ樹脂が適している。
【0064】
<第7参考例>
図12は第7参考例の半導体パワーモジュールの断面図である。また、図13は、この参考例の装置の制御回路基板101の斜視断面図である。図12および図13に示すように、この装置では、配線10および端子14a、14bが制御回路基板本体9の上面に埋め込まれている点が、第6参考例の装置とは特徴的に異なっている。すなわち、この装置では、制御回路基板101としてインサート基板103が用いられている。なお、図12および図13では、端子14a、14bを代表して、端子14bのみが描かれているが、端子14aも同様に制御回路基板本体9の上面に埋め込まれている。
【0065】
このように、端子14a、14bが制御回路基板本体9と一体的に成型されたインサート基板103が用いられるために、端子14a、14bを配線10の上にハンダ付けする必要がない。また、端子14a、14bおよび配線10は、いずれもその上面が制御回路基板本体9の上面と同一平面となるように、制御回路基板本体9に埋設されている。このため、電子部品13を配線10の上だけでなく、端子14a、14bの上にも直接に固着することが可能である。すなわち、端子14a、14bは、あたかも配線10の一部であるかのように取り扱うことができる。
【0066】
以上のように、この装置では製造工程が簡略化され、その結果、製造コストも節減される。
【0067】
<第8参考例>
図14は、第8参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この装置では、端子14aの先端部が開口部40の端縁から内側に突出しており、その先端部の底面が、絶縁配線基板100の上面の金属箔3の所定部位に直接にハンダ付け、ろう付け、あるいは溶接されることによって、インサート基板103と絶縁配線基板100とが互いに固定されている点が、第7参考例の装置とは特徴的に異なっている。
【0068】
したがって、ボンディングワイヤ6を用いて接続する方法に比べて、はるかに容易かつ短時間で金属箔3が端子14aに電気的に接続される。しかも、端子14aの先端部と金属箔3とのハンダ付け等を行うことで、電気的接続が実現すると同時に、絶縁配線基板100がインサート基板103に固定的に支持される。このため、接着剤17を用いて長時間をかけて絶縁配線基板100とインサート基板103とを接着する必要がなくなる。すなわち、二重の意味で、製造工程の省力化および省時間化が得られる。
【0069】
端子14aと金属箔3との間の固着には、電子部品13および電力用半導体素子5を固着するために用いられるハンダよりも融点の高いハンダ、あるいはハンダよりも融点の高いロウ材が用いられる。あるいは、溶接によって固着してもよい。そうすることによって、一体化された絶縁配線基板100とインサート基板103との上に、ハンダを一括印刷して電力用半導体素子5および電子部品13を同時に固着することが可能となる。すなわち、製造工程の簡略化を図ることができる。
【0070】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。まず、配線10とともに端子14a、14bが一体的に成型されたインサート基板10、および、金属箔3がパターニングされた絶縁配線基板100を準備する。
【0071】
つぎに、絶縁配線基板100をインサート基板103の開口部40の中へ底面側から挿入する。開口部40の内側へと突出する端子14aの先端部の底面と絶縁配線基板100の上の銅箔層3の所定部位とが当接した状態で、それらの当接する部材の間を、例えばレーザ溶接を用いて固着する。その結果、金属箔3と端子14aとの間の電気的接続と、双方の基板の間の固定とが同時に実現する。互いに接合される端子14aの先端部と金属箔3との位置関係は、絶縁配線基板100を開口部40へ挿入することで必然的に定まるので、それらの位置合わせを特別に行う必要がない。
【0072】
つぎに、ハンダ4、12を、それぞれ所定の部位に一括的に印刷する。その後、電力用半導体素子5および電子部品13を、ハンダが印刷によって塗布された所定の部位に載置する。そうして、昇温と後続する冷却とを行うことによって、これらの電力用半導体素子5、電子部品13を、ハンダ4、12によって所定の部位に固着する。
【0073】
つぎに、電力用半導体素子5と銅箔層3との間、および金属箔3と配線10の間を、アルミワイヤ6でワイヤボンディングする。最後に、封止樹脂18で装置の内部を封止することによって装置が完成する。
【0074】
なお、絶縁配線基板100と枠体102との間には、間隙を設けることが好ましい。こうすることによって、封止樹脂18が絶縁配線基板100とインサート基板103の間の間隙にまで容易に浸潤し、この間隙が封止樹脂18によって確実に充填されるので、装置の外部から内部への水分等の進入を防止することができる。また同時に、インサート基板103と電力用半導体素子5などの発熱によって温度が上昇する絶縁配線基板100との間に熱応力が発生することが防止されるので、熱応力に起因するそれらの接続部の破損事故が防止されるという利点も得られる。すなわち、二重の意味で装置の信頼性が向上する。
【0075】
なお、間隙の大きさは、封止樹脂18が確実に充填されるとともに、熱応力の発生を抑える効果を得る上で、200μm程度以上とすることが望ましい。
【0076】
<第9参考例>
図15は、第9参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図15に示すように、この装置は、アルミニウム等の熱良導性の金属で構成された金属基材104を備えている。
【0077】
図16は、絶縁配線基板100と金属基材104の輪郭形状を示す概略平面図である。図16に示すように、金属基材104の中央部には矩形の開口部50が形成されており、この開口部50に矩形の絶縁配線基板100が嵌め込まれている。上述した図15は、図16におけるD−D切断線に沿った断面図である。
【0078】
図15に戻って、開口部50に嵌挿されたアルミベース板1の外周端面が、接着剤で開口部50の側壁(内周端面)に接着されることによって、絶縁配線基板100と金属基材104とが互いに固定されている。このため、アルミベース板1と金属基材104とは、接着剤を介して互いに結合している。金属基材104の上には、制御回路基板101が設置されている。制御回路基板101は接着剤7で金属基材104の上に固着されている。
【0079】
制御回路基板101の上面の外周部には複数の端子14a、14bが配設されている。端子14a、14bは、制御回路基板101の上面に形成されている配線10の所定の部位に、ハンダ15a、15bによってそれぞれハンダ付けされている。図15には、これらの中の端子14b、ハンダ15bのみが、代表として描かれている。端子14a、14bの外側先端部、絶縁配線基板100の底面部分、および、金属基材104の底面部分のみを残して、他のすべての部材は封止樹脂18によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。
【0080】
絶縁配線基板100の上の金属箔3の所定の部位には電力用半導体素子5が固着されている。電力用半導体素子5は、ボンディングワイヤ6によって他の配線部材と電気的に接続されるが、この装置では、電力用半導体素子5がボンディングワイヤ6を通じて接続される配線部材は制御回路基板101の上の配線10に限られる。すなわち、電力用半導体素子5はボンディングワイヤ6を介して配線10に直接に接続され、ボンディングワイヤ6と配線10との間に金属箔3を介さない。このため、金属箔3の面積は、電力用半導体素子5を固着するのに必要な大きさに限られる。その結果、絶縁配線基板100の面積が最小限に抑えられる。すなわち、高価な絶縁配線基板100を最大限に節減することができる。
【0081】
絶縁配線基板100の面積が少なくなっても、絶縁配線基板100のアルミベース板1と金属基材104とは互いに固着されているために、電力用半導体素子5からアルミベース板1へと伝わった熱が金属基材104へとさらに伝わるので、放熱効率の低下を招かない。
【0082】
また、好ましくは、図15に示すように、絶縁配線基板100の底面と金属基材104の底面とが同一平面上に並ぶように、双方の上下方向の相対位置が定められる。そうすることで、金属基材104はアルミベース板1とともに、表面が平坦な外部の放熱板等へ密着可能となるので、電力用半導体素子5からアルミベース板1へと伝わった熱が、金属基材104をも通じて放熱板等へ放散される。その結果、放熱の効率がさらに高まる。
【0083】
絶縁配線基板100の上面と制御回路基板101の上面とは、略同一平面となるように、絶縁配線基板100、金属基材104、および制御回路基板101の厚さが最適化されている。例えば、絶縁配線基板100の底面と金属基材104の底面とを同一平面上に揃えるときには、絶縁配線基板100の厚さは、金属基材104の厚さと制御回路基板101の厚さの和に略一致するように設定されている。
【0084】
そうすることによって、絶縁配線基板100と制御回路基板101とを金属基材104に固定した後に、双方の基板の上の所定の部位に、ハンダ4、12、15a、15bを、一括的に印刷することが可能となる。すなわち、製造プロセスが簡素化されるという利点が得られる。
【0085】
また、この参考例の装置では、絶縁配線基板100と制御回路基板101とが金属基材104を通じて結合するので、機械的強度が高いという利点がある。さらに、金属基材104は、単に開口部を有する平板形状をなしており、その構造は単純である。すなわち、金属基材104は、図29の従来装置におけるケース16に比べて、製造が容易で、しかも製造コストが低廉である。しかも、上述したように、金属基材104を用いることによって、高価な絶縁配線基板100が節減されるので、製造コストはさらに低廉となる。
【0086】
<第10参考例>
図17は、第10参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図17に示すように、この装置は、アルミニウム等の熱良導性の金属で構成された金属基材105を備えている。そうして、この金属基材105の上に、絶縁配線基板100と制御回路基板101とが設置されている。
【0087】
図18は、絶縁配線基板100と制御回路基板101の輪郭形状を示す概略平面図である。図18に示すように、矩形の金属基材105の上に、矩形の絶縁配線基板100と同じく矩形の制御回路基板101とが、互いに隣接するように横に並べられている。上述した図17は、図17におけるE−E切断線に沿った断面図である。
【0088】
図17に戻って、絶縁配線基板100の底面と金属基材105の上面とが、接着剤19で接着されることによって、絶縁配線基板100は金属基材105の上に固定されている。また、制御回路基板101の底面と金属基材105の上面とが、接着剤7で接着されることによって、制御回路基板101は金属基材105の上に固定されている。これらの接着剤の中で、少なくとも接着剤19には、耐熱性に優れるとともに熱伝導性の高い材料が選ばれる。
【0089】
絶縁配線基板100の上面の制御回路基板101と隣接する部分を除く外周部には、端子14aが配設されている。端子14aは、絶縁配線基板100の上面に形成されている金属箔3の所定の部位に、ハンダ15aによってハンダ付けされている。同様に、制御回路基板101の上面の絶縁配線基板100と隣接する部分を除く外周部には、端子14bが配設されている。端子14bは、制御回路基板101の上面に形成されている配線10の所定の部位に、ハンダ15bによってハンダ付けされている。
【0090】
端子14a、14bの外側先端部、および、金属基材105の底面部分のみを残して、他のすべての部材は封止樹脂18によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。
【0091】
絶縁配線基板100の上の金属箔3の所定の部位には、電力用半導体素子5がハンダ4によって固着されている。電力用半導体素子5は、ボンディングワイヤ6によって金属箔3と電気的に接続されている。また、絶縁配線基板100の上の金属箔3の所定の部位と、制御回路基板101の上の配線10の所定の部位との間も、ボンディングワイヤ6によって電気的に接続されている。また、配線10の所定の部位には、電子部品13がハンダ12によって固着されている。
【0092】
絶縁配線基板100の上面と制御回路基板101の上面とは、略同一平面となるように、絶縁配線基板100、および制御回路基板101の厚さが調整されている。そうすることによって、絶縁配線基板100と制御回路基板101とを金属基材105に固定した後に、双方の基板の上の所定の部位に、ハンダ4、12、15a、15bを、一括的に印刷することが可能となる。その結果、製造プロセスが簡素化されるという利点が得られる。
【0093】
絶縁配線基板100の底面すなわちアルミベース板1の底面は、金属基材105に固着されているので、電力用半導体素子5で発生した熱は、アルミベース板1から、それよりも広い金属基材105へと伝わり、外部の放熱板等へと放散される。このため、良好な放熱効率が得られるという利点がある。また、接着剤19が用いられるために、アルミベース板1から金属基材105への熱の伝導を妨げることなく、絶縁配線基板100を金属基材105の上へ容易に固定することができる。また、接着剤19は耐熱性であるために、熱による特性の劣化の恐れがない。
【0094】
また、絶縁配線基板100と制御回路基板101とが金属基材105を通じて結合するので、機械的強度が高いという利点がある。さらに、金属基材105は、単なる平板形状の金属板であり、その構造はきわめて単純である。すなわち、金属基材105は、図29の従来装置におけるケース16に比べて、製造が容易で、しかも製造コストが低廉である。すなわち、低廉なコストで高い機械的強度と良好な放熱効率とが得られるという利点がある。
【0095】
<第11参考例>
図19は、第11参考例の半導体パワーモジュールの一部を拡大して示す拡大断面図である。この装置では、金属基材105の上面の一部に凸部51が設けられている点、言い替えると金属基材105の上面の一部が凸部51の形状に盛り上がっている点が、第10参考例の装置とは特徴的に異なっている。凸部51の上面は平坦である。他の部分の構成は、第10参考例の装置と同様である。
【0096】
凸部51は、絶縁配線基板100が固着される領域内の電力用半導体素子5の直下の部位に設けられている。そうすることによって、絶縁配線基板100が金属基材105の上に接着剤19を介して固着されるときに、大きな加圧力を印加することなく、電力用半導体素子5の直下の接着剤19が容易にその周辺部へと流出させ、電力用半導体素子5の直下の接着剤19の厚さを選択的に小さくすることができる。その結果、電力用半導体素子5で発生した熱が、より効果的に金属基材105へと伝達するので、放熱効率が一層向上する。
【0097】
<第12参考例>
つぎに第12参考例の半導体パワーモジュールについて説明する。この参考例の装置では、金属基材105と絶縁配線基板100のアルミベース板1とが、一部において溶接されている点が、第10参考例の装置とは特徴的に異なっており、他の部分の構成は、第10参考例の装置と同様である。図20および図21は、この参考例の装置の溶接される部位を示す正面断面図および平面図である。図20は図21におけるF−F切断線に沿った断面図である。これらの図において、42は溶接によって形成された金属の架橋である。
【0098】
これらの図に示すように、溶接は、絶縁配線基板100の外周端面に沿った複数箇所(図21では2箇所を例示している)において行われている。しかも、金属架橋42が、アルミベース板1の底面と金属基材105の上面との間にも形成されるように、溶接箇所においては、接着剤19がアルミベース板1および金属基材105の外周端面から、適度な深さに除去されている。そうして、金属架橋42は、外周端面から内側へと侵入するように形成されている。このため、高い溶接強度が得られる。
【0099】
このように、絶縁配線基板100と金属基材105とが溶接されるために、アルミベース板1と金属基材105との間の熱的接触が、長期的に保証される。すなわち、放熱効率に対して高い長期的信頼性が得られる。特に、絶縁配線基板100を金属基材105へと加圧しつつ溶接を実行することによって、接着剤19が常に加圧された状態に置かれるので、放熱効率に対して一層高い長期的信頼性が得られる。
【0100】
<第13参考例>
図22は、第13参考例の半導体パワーモジュールの特徴部を示す断面図である。図22において、43は溶接によって形成される金属架橋である。この装置では、アルミベース板1と金属基材105の外周端面の溶接箇所において、凹部が設けられており、金属架橋43がこの凹部に形成されている点が、第12参考例の装置とは特徴的に異なっており、他の部分の構成は、第12参考例の装置と同様である。
【0101】
この装置では、溶接箇所に凹部が設けられるので、溶接時の加圧および加熱に起因するアルミベース板1および金属基材105の変形を、凹部に限定することができる。その結果、金属基材105の底面の平坦度が確保されるので、金属基材105の底面と外部の放熱板との間の良好な熱的接触が保証されるという利点が得られる。
【0102】
<実施例1>
図23および図24は、それぞれ実施例1の半導体パワーモジュールの正面断面図および斜視断面図である。この装置では、絶縁配線基板100は用いられず、アルミニウム等の熱良導性の金属で構成された金属基材107の上に、熱良導性の接着剤19によってリードフレーム106が固着されており、このリードフレーム106の上に、電力用半導体素子5および制御回路基板101が固着されている。電力用半導体素子5で発生する熱は、接着剤19および金属基材107を効率よく伝わり、外部の放熱板等へと速やかに放散される。すなわち、放熱効率が良好である。
【0103】
また、リードフレーム106は、主回路の配線パターンを構成するとともに、外部装置との主電流の受け渡しを行うための端子14a、入出力信号の受け渡しを行う端子14bをも構成している。すなわち、リードフレーム106は、例えば第10参考例における金属箔3と端子14a、14bとの双方を兼ねている。製造工程で準備されるリードフレーム106には、図示しないタイバが周縁部に設けられており、このタイバを通じて全体が一体的に連結されている。リードフレーム106は、金属基材107の上に固着された後に、タイバが切除されることによって、連結が解除され、複数の孤立した部分へと切り離される。
【0104】
電力用半導体素子5とリードフレーム106の所定の部位との間、および、制御回路基板101の上の配線10とリードフレーム106の所定の部位との間は、ボンディングワイヤ6で電気的に接続されている。図23および図24には、制御回路基板101が、二つの制御回路基板101a、101bに分割されている例を示している。このように、制御回路基板101は、複数の部分に分割されていてもよい。
【0105】
端子14a、14bの外側先端部、および、金属基材107の底面部分のみを残して、他のすべての部材は封止樹脂18によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。
【0106】
この実施例の装置は、以上のように構成されるので、端子14a、14bを別途準備した上で、金属箔3あるいは配線10へとハンダ付けによって接続する必要がない。また、高価な絶縁配線基板100を用いることなく、良好な放熱特性が得られる。すなわち、製造工程が簡略化されるとともに製造コストが節減される。さらに、主回路と制御回路とが、上下2層に配設されるので、装置の高密度化、小型化が可能であるという利点も得られる。
【0107】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。はじめに、平板状の金属基材107とリードフレーム106とを準備する。リードフレーム106の周縁部には、全体を一体的に連結する図示しないタイバが形成されている。そうして、金属基材107の上に、接着剤19を用いてリードフレーム106を固着する。その後、タイバを切除して、リードフレーム106をいくつかの孤立した部分へと切り離す。
【0108】
つぎに、電力用半導体素子5を、リードフレーム106の上の所定の部位に、ハンダ4でハンダ付けする。その後、電子部品13があらかじめ搭載された制御回路基板101を、接着剤7を用いてリードフレーム106の上に固着する。つづいて、ボンディングワイヤ6を用いて、電力用半導体素子5とリードフレーム106の所定の部位との間、および、制御回路基板101の上の配線10とリードフレーム106の所定の部位との間を電気的に接続する。最後に、封止樹脂18で装置の内部を封止することによって装置が完成する。
【0109】
金属基材107とリードフレーム106とを接着する接着剤19として、絶縁体の微粒子が混入された接着剤を用いるのが望ましい。そうすることによって、接着剤19の厚さが所定の大きさに容易に調整されるので、金属基材107とリードフレーム106との間に、高い熱伝導性とともに、所望の高さの絶縁耐圧が容易に確保される。混入する微粒子として、微粒子の径よりも結晶粒径の小さいAlN(窒化アルミニウム)が、特に適している。
【0110】
<実施例2>
図25は、実施例2の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この装置では、絶縁配線基板100の上に形成された金属箔3に、電力用半導体素子5とリードフレーム108とが固着されている。電力用半導体素子5はハンダ4で固着されており、他方のリードフレーム108は、例えばエポキシ系接着剤などの安価な接着剤20で固着されている。
【0111】
この装置では、リードフレーム108は、制御回路の配線パターン、主回路の配線パターン、および外部装置との電気的接続のための端子を構成している。このため、絶縁配線基板100の上に形成される金属箔3を少なくして、高価な絶縁配線基板100の面積を縮小することができる。また、制御回路の電子部品13は、リードフレーム108の上の所定部位にハンダ付けされる。電子部品13は、ベアチップ部品(樹脂等でモールドされない裸のチップから成る回路素子)であってもよい。電力用半導体素子5は、ボンディングワイヤ6によって、リードフレーム108の所定の部位に電気的に接続されている。
【0112】
リードフレーム108の端子に相当する部分の先端部、および、絶縁配線基板100を構成するアルミベース板1の底面部分のみを残して、他のすべての部材は封止樹脂18によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。
【0113】
この実施例の装置は、以上のように構成されるので、端子を別途準備した上で、金属箔3等へとハンダ付けする必要がない。また、制御回路基板101を準備する必要もない。さらに、上述したように、高価な絶縁配線基板100を節減することができる。このため、製造工程が簡略化されるとともに製造コストが節減される。また、接着剤20として、テープ状接着剤を用いることによって、製造工程の作業性を、さらに改善することができる。
【0114】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。はじめに、絶縁配線基板100の上に形成されている金属箔3の上の所定部位に、ハンダ4を用いて電力用半導体素子5をハンダ付けする。つぎに、あらかじめベアチップ部品などの電子部品13が搭載されたリードフレーム108を、接着剤20で金属箔3の上の所定部位に固着する。
【0115】
リードフレーム108は、その周縁部に設けられるタイバ(図示を略する)によって、全体が一体的に連結している。そして、金属箔3の上に固着した後に、タイバを切除して、リードフレーム108をいくつかの孤立した部分へと切り離す。その後、ボンディングワイヤ6を用いて、電力用半導体素子5とリードフレーム108の所定部位との間、および電子部品13とリードフレーム108の所定部位との間を電気的に接続する。最後に、封止樹脂18で装置の内部を封止することによって装置が完成する。
【0116】
以上のように、一体的に連結したリードフレーム108を、絶縁配線基板100の上に固定し、その後、タイバカットを行うことによって、主回路の配線パターン、制御回路の配線パターン、および端子を同時に形成できるので、作業の能率が高いという利点がある。
【0117】
また、製造工程の順序を一部入れ換えて、電子部品13が搭載されないリードフレーム108を、金属箔3の所定部位に固着した後に、電力用半導体素子5と電子部品13とを同時に、金属箔3およびリードフレーム108の所定部位にそれぞれ固着してもよい。そうすることによって、ハンダの一括印刷が可能になるので、工程がさらに簡略となる。また、電子部品13としてベアチップ部品を使用した場合に、機械的強度の低いベアチップ部品をリードフレーム108の上に搭載した状態で搬送する必要がないので、搬送時の破損、損傷を回避することができる。
【0118】
<実施例3>
図26は、実施例3の装置のリードフレームの斜視図である。この装置では、リードフレーム108の代わりに、厚さが全体にわたって一定ではなく、流れる電流の大きさに応じて各部分毎に異なっているリードフレーム109が用いられている点が、実施例2の装置とは特徴的に異なっており、その他の部分は、実施例2の装置と同様である。すなわち、リードフレーム109の中で、主電流が流れる主回路の配線パターン109aおよび端子14aは、微弱な電流のみが流れる制御回路の配線パターン109bおよび端子14bよりも、厚く形成されている。例えば、前者は300μmの厚さに形成され、後者は150μmの厚さに形成される。
【0119】
この実施例の装置は、このように構成されるので、制御回路の配線パターン109bを微細化することによって、制御回路を高密度化することができ、その結果、装置を小型化することができる。
【0120】
厚さが一定でないリードフレーム109を容易に形成するために、例えば、厚い部分である配線パターン109a、端子14aと、薄い部分である配線パターン109b、端子14bとを個別に形成して、両者を重ね合わせて接着するとよい。
【0121】
図27は、厚さが一定でないリードフレーム108を形成するための別の方法を示す工程図である。この方法では、はじめに、図27(a)に示すように、主回路の配線パターン110aおよびこれに連結する端子と、制御回路の配線パターン110bおよびこれに連結する端子とを、一定の厚さで構成するリードフレーム110を準備する。リードフレーム110の厚さは、例えば150μmである。
【0122】
同時に、主回路の配線パターン110aおよびこれに連結する端子とを構成するもう一つのリードフレーム111を準備する。リードフレーム111の厚さは、例えば150μmであり、その平面形状は、配線パターン110aと同一である。
【0123】
つぎに、図27(b)に示すように、リードフレーム110の上にリードフレーム111を重ね、ハンダ付けする。ハンダ付けは、互いに接触する配線パターン110aとリードフレーム111の双方の表面にあらかじめハンダメッキを施した後に、重ねて加熱することによって容易に実行可能である。その結果、配線パターン110aとリードフレーム111とによって、厚い配線パターン109aが形成され、配線パターン110bは、そのまま薄い配線パターン109bとなる。
【0124】
以上のように、図27の方法では、あらかじめ薄いリードフレームのみが準備されるので、リードフレームの加工が容易であるという利点がある。すなわち、装置の製造工程における作業性が向上するという利点がある。
【0125】
<変形例>
以上の実施例では、絶縁配線基板100においてアルミベース板1と金属箔3との間に介挿される絶縁層2の材料として、エポキシ系樹脂を例示したが、耐熱性に優れた絶縁材であれば、他の樹脂であってもよい。また、樹脂に限らず、例えばセラミクスであってもよい。例えば、セラミクスの絶縁層2の両面に金属を接合してなる周知の絶縁配線基板を使用することも可能である。
【0126】
【発明の効果】
第1の発明の半導体パワーモジュールでは、金属基材の上にリードフレームが接着され、このリードフレームが、電力用半導体素子が固着される配線パターンとともに複数の端子をも兼ねている。このため、装置を製造する際に、端子を制御回路配線パターン等へハンダ付けによって固定する工程を必要としない。また、金属基材の上にリードフレームを接着することで、主回路基板を必要とせず、電力用半導体素子が直接に固着されるので、コストが節減される。
【0127】
第2の発明の半導体パワーモジュールでは、接着剤に電気絶縁体の微粒子が混入されているので、リードフレームと金属基材との間の電気絶縁が接着剤によって確実に保証される。
【0128】
第3の発明の半導体パワーモジュールでは、電力用半導体素子等が樹脂によって封止されているので、電力用半導体素子等の回路部品が外部から侵入する水分等から保護される。このため、装置の信頼性および寿命が向上する。また、金属基材の他方主面が封止樹脂から露出しているので、放熱効率が良好である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1参考例の装置の正面断面図である。
【図2】 第1参考例の絶縁配線基板と枠体の平面図である。
【図3】 第1参考例の枠体の斜視断面図である。
【図4】 第2参考例の装置の正面断面図である。
【図5】 第3参考例の装置の正面断面図である。
【図6】 第3参考例の枠体の斜視断面図である。
【図7】 第4参考例の枠体の斜視断面図である。
【図8】 第4参考例の枠体の正面断面図である。
【図9】 第5参考例の装置の正面断面図である。
【図10】 第6参考例の装置の正面断面図である。
【図11】 第6参考例の絶縁配線基板と制御回路基板の平面図である。
【図12】 第7参考例の装置の正面断面図である。
【図13】 第7参考例のインサート基板の斜視断面図である。
【図14】 第8参考例の装置の正面断面図である。
【図15】 第9参考例の装置の正面断面図である。
【図16】 第9参考例の絶縁配線基板と金属基材の平面図である。
【図17】 第10参考例の装置の正面断面図である。
【図18】 第10参考例の絶縁配線基板と金属基材の平面図である。
【図19】 第11参考例の装置の一部の拡大断面図である。
【図20】 第12参考例の装置の一部の正面断面図である。
【図21】 第12参考例の絶縁配線基板と制御回路基板の平面図である。
【図22】 第13参考例の装置の一部の正面断面図である。
【図23】 実施例1の装置の正面断面図である。
【図24】 実施例1の装置の斜視断面図である。
【図25】 実施例2の装置の正面断面図である。
【図26】 実施例3のリードフレームの斜視図である。
【図27】 実施例3のリードフレームの別の例の斜視図である。
【図28】 第1従来例の装置の正面断面図である。
【図29】 第2従来例の装置の正面断面図である。
【符号の説明】
1 アルミベース板(金属板)、2 絶縁層、3 金属箔(主回路配線パターン)、5 電力用半導体素子、9 制御回路基板本体、10 配線(制御回路配線パターン)、13 電子部品(制御回路素子)、14a,14b 端子、17,19 接着剤、18 封止樹脂(樹脂)、30 開口部、30a 突出部、32 基板本体(制御回路基板本体)、33 金属箔(制御回路配線パターン)、34 フレキシブル基板(制御回路基板)、40,50 開口部、42,43 金属架橋、100 絶縁配線基板(主回路基板)、101 制御回路基板、102 枠体、104,105 金属基材、106,108 リードフレーム、109a 配線パターン(第1リードフレーム材)、109b 配線パターン(第2リードフレーム材)、110 リードフレーム(第1リードフレーム材)、111 リードフレーム(第2リードフレーム材)。
Claims (3)
- 外部の負荷への電力の供給を担う主電流の流れを制御する電力用半導体素子と当該電力用半導体素子の動作を制御する制御回路素子とを備える半導体パワーモジュールにおいて、
熱良導性の平板状の金属基材の一方主面に、電気絶縁性でしかも熱良導性の接着剤によって、第1及び第2リードフレームが固着されており、
前記第1リードフレームの上の所定部位に前記電力用半導体素子が固着されており、
前記第2リードフレームの上の所定部位に、制御回路基板が固定されており、
当該制御回路基板は、前記電力用半導体素子よりも厚みが厚い電気絶縁性の板状の制御回路基板本体と、当該制御回路基板本体の少なくとも一方主面上に配設された制御回路配線パターンとを備え、
前記制御回路基板本体の他方主面が前記第2リードフレームに固着されることによって、前記制御回路基板が前記第2リードフレームの所定部位に固定されており、
前記制御回路素子は、前記一方主面上において前記制御回路配線パターンの所定部位に接続されており、
前記第1及び第2リードフレームは、それぞれ、外部との間で主電流および電気信号の入出力を行うための複数の端子を含んでいることを特徴とする、
半導体パワーモジュール。 - 請求項1に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記接着剤が電気絶縁体の微粒子が混入された接着剤であることを特徴とする、
半導体パワーモジュール。 - 請求項1に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記複数の端子の外方先端部、および前記金属基材の他方主面が露出するように、少なくとも、前記金属基材および前記リードフレームの露出面、前記制御回路基板本体の前記一方主面、前記電力用半導体素子、ならびに、前記制御回路素子が、樹脂で封止されていることを特徴とする、
半導体パワーモジュール。
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